一、GPS概述
GPS又稱全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System）。美國從上世紀(jì)70年代開始研制，于1994年全面建成。具有在海、陸、空進(jìn)行全方位三維實(shí)時導(dǎo)航與定位能力的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。GPS目前在我國成功的應(yīng)用在大地測量、工程測量、航空攝影測量、運(yùn)載工具導(dǎo)航和管制、地殼運(yùn)動監(jiān)測、工程變形監(jiān)測、資源勘察、地球動力學(xué)等多種學(xué)科，它的問世給測繪領(lǐng)域帶來了深刻的技術(shù)革命。
（一）GPS系統(tǒng)的特點(diǎn)
1．全球，全天候工作
能為用戶提供連續(xù)、實(shí)時的三維位置、三維速度和精密時間。不受天氣的影響。
2．定位精度高
單機(jī)定位精度優(yōu)于10米，如果采用差分定位，精度可達(dá)厘米級和毫米級。
3．應(yīng)用廣
在測量、導(dǎo)航、測速、測時等方面廣泛應(yīng)用，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。
（二）GPS系統(tǒng)的組成
GPS由三個獨(dú)立的部分組成：
1．空間部分：
空間部分由21顆工作衛(wèi)星和3個備用衛(wèi)星組成。均勻的分布在6個衛(wèi)星軌道上，備用衛(wèi)星隨時可以替代發(fā)生故障的工作衛(wèi)星。
2．地面監(jiān)控系統(tǒng)：
1個主控站，3個注入站，5個監(jiān)控站。
3．用戶接收機(jī)：
接收GPS衛(wèi)星發(fā)射信號，以獲得導(dǎo)航和定位信息，經(jīng)數(shù)據(jù)處理，完成導(dǎo)航和定位工作。接收機(jī)由主機(jī)、天線和電源組成。
二、GPS定位原理
（一）偽距差分原理
在基準(zhǔn)站上，觀測所有衛(wèi)星，根據(jù)基準(zhǔn)站已知坐標(biāo)和各衛(wèi)星的坐標(biāo)，求出每顆衛(wèi)星每一時刻到基準(zhǔn)站的真實(shí)距離。再與偽距比較，得出偽距改正數(shù)，將其傳輸至用戶接收機(jī)，提高定位精度。這種差分，能得到米級定位精度。
（二）載波相位差分原理
載波相位差分技術(shù)又稱RTK（Real Time Kinematic）技術(shù)，是實(shí)時處理兩個測站載波相位測量的差分方法。即將基準(zhǔn)站采集的載波相位發(fā)給用戶接受機(jī)，進(jìn)行求差解算坐標(biāo)。載波相位差分可使定位精度達(dá)到厘米級。
三、GPS性能簡介
ETrex Venture的操作關(guān)鍵是五個主頁的調(diào)用。
（一）儀器的按鍵極其功能：
1．鼠標(biāo)鍵：
按下后放開，對所選擇菜單或選項確認(rèn)。按下并保持，把當(dāng)前的位置標(biāo)定為航路點(diǎn)。對鼠標(biāo)鍵上下/左右移動，可以將光標(biāo)移到選項或菜單上，移動到屏幕上的按鍵、圖標(biāo)上，能輸入中文和數(shù)據(jù)，移動地圖頁面箭頭。
2．翻頁鍵：
按下后放開，循環(huán)顯示各個頁面。
3．電源鍵：
按下并保持，可以開機(jī)或關(guān)機(jī)。
4．縮放鍵：
按下并保持，當(dāng)在地圖頁面時放大或縮小比例尺。
5．查找鍵：
按下后放開，訪問查找菜單。
（二）常見名詞含義
1.航 點(diǎn)：GPS接收機(jī)所有的點(diǎn)，都可以稱為航點(diǎn)。
2.航路點(diǎn)：由使用者自行設(shè)定的航點(diǎn)。
3.航 線：依次經(jīng)過若干航點(diǎn)的由使用者自行編輯的行進(jìn)路線。
4.航 跡：使用者已經(jīng)行進(jìn)過路線的軌跡。航跡是以點(diǎn)的形式儲存在接收機(jī)中，這些點(diǎn)稱為航跡點(diǎn)。
四、GPS的使用技術(shù)
（一）主菜單頁面基本情況
在主菜單頁面上包含了：
⑴存點(diǎn)頁面——標(biāo)定和記錄當(dāng)前位置。
⑵查找頁面——查詢并前往航路點(diǎn)。
⑶航線頁面——利用沿線的航路點(diǎn)建立到達(dá)目的地的航線，計算面積。
⑷航跡頁面——存儲航跡。
⑸設(shè)置頁面——設(shè)置時間、度量單位。
⑹工具頁面——提供太陽和月亮的位置數(shù)據(jù)，進(jìn)行面積計算。
（二）坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法（WGS84—BJ54）
GPS衛(wèi)星星歷是以WGS84坐標(biāo)系（經(jīng)緯度坐標(biāo)系）為根據(jù)建立的，我國目前應(yīng)用的地形圖屬于1954年北京坐標(biāo)系或1980年國家大地坐標(biāo)系，因不同坐標(biāo)系之間存在平移和旋轉(zhuǎn)關(guān)系（WGS84坐標(biāo)系與我國應(yīng)用的坐標(biāo)系之間的誤差約為80—120米），所以在我國應(yīng)用GPS進(jìn)行絕對定位必須進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后的絕對定位精度可由80—120米提高到5—10米。
1.標(biāo)位格式的設(shè)定（User Grid）
標(biāo)位格式設(shè)定為“User UTM Grid”，其中“中央經(jīng)線”為用戶所在地的中央子午線的經(jīng)度，如北京應(yīng)輸入“117º00.000′″”；“投影比例”為比例參數(shù)，應(yīng)輸入“1.0000000”；“東西偏差”輸入“500000.0”；“南北偏差”輸入“0.0”.對中國用戶,所有“經(jīng)度起點(diǎn)值”均為東經(jīng)(E),其他三個值相同。
操作步驟:
⑴按翻頁鍵到主菜單畫面 (見圖),將光標(biāo)移至“設(shè)置”處。
⑵向下按鼠標(biāo)鍵,進(jìn)入“單位”畫面（見圖），將光標(biāo)移至“位置顯示格式”下。
⑶向下按鼠標(biāo)鍵，上或下移動光標(biāo)，直到User UTM Grid出現(xiàn)，（見圖）。按輸入鍵進(jìn)入“用戶坐標(biāo)畫面”（見圖）。
⑷向下按鼠標(biāo)鍵，光標(biāo)會落在一連串?dāng)?shù)字的最左端（見圖），并出現(xiàn)數(shù)字鍵盤，找到所要修改的數(shù)字位置。
⑸上下移動光標(biāo)選擇（0—9）中所需要的數(shù)字或字符，完成“中央子午線值”的輸入。
⑹用同樣的方法輸入“投影比例值”和其他兩個值。
⑺將光標(biāo)落在“存儲”處，向下按鼠標(biāo)鍵，完成參數(shù)輸入。
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2.坐標(biāo)系統(tǒng)參數(shù)的計算及輸入（User）
⑴坐標(biāo)系統(tǒng)參數(shù)的計算
搜集應(yīng)用區(qū)域內(nèi)GPS“B”級網(wǎng)三個以上WGS84坐標(biāo)系B、L、H值及我國BJ54或西安80坐標(biāo)系B、L、h、X值。（B、L、H分別為大地坐標(biāo)系中的大地緯度、大地經(jīng)度及大地高，h、X分別為大地坐標(biāo)系中的高程及高程差異）。
計算不同坐標(biāo)系三維直角坐標(biāo)值。計算公式：
X=（N+H）cosBcosL；
Y=（N+H）cosBsinＬ；
Z=[N（1-E2）+H]sinB
表5-1 不同坐標(biāo)系對應(yīng)橢球的有關(guān)常數(shù)表
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項目 |
WGS84坐標(biāo)系 |
BJ54坐標(biāo)系 |
西安80坐標(biāo)系 |
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A |
6378137m |
6378245m |
6378140m |
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E2 |
0.00669437999013 |
0.006693427 |
0.006694385 |
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F |
1/298.257223563 |
1/298.3 |
1/298.257 |
(X、Y、Z為大地坐標(biāo)系中的三維直角坐標(biāo)；A為大地坐標(biāo)系對應(yīng)橢球長半軸；E為大地坐標(biāo)系對應(yīng)橢球第一偏心率；F為對應(yīng)橢球之扁率；N為該點(diǎn)的卯酉曲率半徑，H=h+x， N=A/（1-e2sin2B）1/2；該處H為BJ54或西安80坐標(biāo)系中的大地高)
求出DX，DY，DZ，DA，DF：
利用WGS84坐標(biāo)系的X、Y、Z及A、F值減去我國坐標(biāo)系的對應(yīng)值，得出實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換的五個參數(shù)。（應(yīng)算出WGS84與北京和西安坐標(biāo)系兩套參數(shù)。）
參數(shù)驗證：
參數(shù)計算之后必須對其進(jìn)行驗證。即在應(yīng)用區(qū)域內(nèi)選擇5個以上水準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)測，實(shí)測值與測繪部門提供的理論值對比，如果最大誤差不大于15米，平均誤差不大于10米，計算的參數(shù)可用，否則重新計算或查找出現(xiàn)問題的原因。
⑵坐標(biāo)系統(tǒng)參數(shù)的輸入
坐標(biāo)系統(tǒng)參數(shù)輸入步驟：
①移動光標(biāo)到“地圖基準(zhǔn)”處，向下按鼠標(biāo)鍵。見圖5-28（a）
②選擇User，向下按鼠標(biāo)鍵。見圖5-28（b）
③輸入DX DY DZ DA DF 值后，按儲存結(jié)束。
注意各地DA DF值相同，DX DY DZ值各不相同，其中DA=-108 DF=0.0000005
(三)航路點(diǎn)的保存
存點(diǎn)方法：
向下按住鼠標(biāo)鍵找到存點(diǎn)頁面，當(dāng)鼠標(biāo)鍵下按后，當(dāng)前的點(diǎn)作為新標(biāo)定的航路點(diǎn)。對此航路點(diǎn)可以自動編號，也可以用字母或中文命名。依次可以完成其它點(diǎn)的標(biāo)定與保存。利用“查找菜單”能夠查到億標(biāo)定的信息。
(四)目標(biāo)點(diǎn)的導(dǎo)航
GPS能夠?qū)σ呀?jīng)存儲的航路點(diǎn)用地圖頁面或?qū)Ш巾撁婵梢酝瓿蓪?dǎo)航，并到達(dá)的目的地。
導(dǎo)航方法：
⑴按查找鍵顯示查找菜單。見圖5-29（a）
⑵用鼠標(biāo)鍵在分類表中選擇航路點(diǎn)。
⑶屏幕中會提示“最近的”或“按名稱”，按鼠標(biāo)鍵選擇想到達(dá)的目的地的名稱。見圖5-29（b）
⑷如果按鼠標(biāo)鍵選擇“最近的”，屏幕中顯示已經(jīng)儲存的最近的航路點(diǎn)表。見圖5-29（c）
⑸選定想導(dǎo)航的航路點(diǎn)，下按鼠標(biāo)鍵，屏幕顯示該航路點(diǎn)的信息頁面。見圖5-29（d）
⑹用鼠標(biāo)鍵選擇屏幕底下的“導(dǎo)航”。按鼠標(biāo)鍵激活導(dǎo)航功能。屏幕將自動轉(zhuǎn)到導(dǎo)航頁面。見圖5-29（e）
⑺按照方向指示器的箭頭方向行走，直到箭頭指向羅盤的頂部。如果箭頭指向右邊，表明目標(biāo)的位置在你的右邊。如果它指向上方，說明你在去目的地的路上。
⑻當(dāng)你接近航路點(diǎn)時屏幕會顯示“到達(dá)目的地”。
⑼在地圖頁面或?qū)Ш巾撁孢x擇“停止導(dǎo)航”，目標(biāo)點(diǎn)的導(dǎo)航完成。
(五)面積計算
GPS計算的面積是由幾個點(diǎn)作為頂點(diǎn)所組成的一個多邊形的面積。
面積計算方法1：
⑴選定某條航線，選擇頁面頂部的選項菜單。
⑵選定 “面積計算”選項，按鼠標(biāo)鍵確認(rèn)，儀器會自動計算出面積。（見圖）
面積計算方法2：
⑴選擇工具中的“面積計算”，按下鼠標(biāo)鍵進(jìn)入航跡求面積頁面。見圖5-30（a）
⑵用鼠標(biāo)鍵按下“開始”按鈕，出現(xiàn)圖5-30（a）畫面。
⑶沿著要測量的區(qū)域邊界走出一個閉和軌跡。
⑷回到起點(diǎn)后，用鼠標(biāo)鍵選擇“結(jié)束”按鈕確認(rèn)，儀器會自動計算出閉合軌跡所圍成的面積。見圖5-30（b）、圖5-30（c）
⑸如果沒有走完閉合曲線就選擇了“結(jié)束”按鈕，計算的面積為已走過的航跡和這條連線所圍成的面積。
注意：GPS只有在定位的狀態(tài)下用航跡測面積方法得到的結(jié)果才準(zhǔn)確。測定的區(qū)域越大，計算的面積才準(zhǔn)確。
五、GPS的應(yīng)用
GPS具有全天候、實(shí)時、迅速和高精度的性能，無論臺式還是手持式在生產(chǎn)中的應(yīng)用都很廣泛。
（一）地籍測量中界址點(diǎn)的測量
在土地管理工作中，為了查清土地的自然狀況，利用情況以及土地權(quán)屬問題應(yīng)用GPS進(jìn)行全區(qū)域的控制測量，首先用它建立地籍控制網(wǎng)確定界址點(diǎn)的坐標(biāo)，使用單頻機(jī)實(shí)測邊長在10Km以內(nèi)的GPS網(wǎng)所得的最大點(diǎn)位誤差均在2.5cm之內(nèi)。
（二）線路控制測量中的應(yīng)用
隨著我國交通運(yùn)輸業(yè)的不斷發(fā)展，GPS在高等級公路的設(shè)計與修建中起到了重要作用。布設(shè)高等級GPS網(wǎng)，點(diǎn)與點(diǎn)之間采用導(dǎo)線方式聯(lián)接。通過實(shí)測網(wǎng)平差得出的點(diǎn)位誤差小于1cm。
（三）在林業(yè)中的應(yīng)用
⑴在苗圃地測設(shè)、林地面積測定、森林植物分布區(qū)域和垂直分布帶的確定，均可以利用GPS接收機(jī)定位、存儲航點(diǎn)和導(dǎo)航完成。
⑵在全國森林資源清查中，對布設(shè)的固定樣地定位，能夠?qū)拥靥柎鎯Φ浇邮諜C(jī)中。在固定樣地復(fù)位時，使用接收機(jī)快速準(zhǔn)確地導(dǎo)航到目標(biāo)點(diǎn)。
⑶GPS在飛播造林及利用飛機(jī)噴撒農(nóng)藥中利用導(dǎo)航技術(shù)將種子和農(nóng)藥有效的飛撒到目的地上。同時，GPS在森林防火中起到實(shí)時監(jiān)控作用。
